戶用型光伏并網逆變器的研究與設計

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網逆變器的研究與設計

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網逆變器采用全橋逆變結構，著重分析了并網逆變器的控制策略和孤島檢測控制方法。為了穩定直流母線電壓和實現單位因數并網，采用電壓電流的雙環控制策略；提出一種改進型主動式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)運用于并網逆變器的孤島檢測控制。Matlab/Simulink仿真表明：該并網逆變器的控制具有低電流諧波畸變率、高功率因數等特點，完全滿足設計的需要。

戶用型；并網逆變器；雙閉環；孤島檢測；改進型AFD

國外的并網逆變器已經是一種相當成熟的產品，比較典型的有SMA、Sun Power和Siemens等公司的產品；國內相關公司的產品正處于快速發展的階段。主要突出的問題是并網逆變器的轉換效率、電流諧波畸變率以及孤島檢測等[1]。

1 戶用型光伏并網逆變器的結構及原理分析

1.1 并網逆變器的電路結構

戶用型并網逆變器的結構大體分為兩種，其區別在于是否帶有儲能環節[2]。本文研究的是一種不帶儲能環節的單相光伏并網發電系統，并網逆變器采用電壓型全橋逆變結構，如圖1所示。由于直流并聯有大電容，因此，直流輸入側的電壓脈動比較小，整個電路呈現低阻抗特性。

1.2 全橋并網逆變器的建模

圖1所示的結構圖也可作為單相電壓型光伏并網逆變器的等效電路。其中，2為輸出濾波電感，為線路等效電阻，為電網電壓。根據基爾霍夫電壓定律，有：

當逆變器的占空比為D，則逆變器的輸出電壓Uac為：

圖1 并網逆變器全橋逆變結構

根據式(1)和式(2)，有：

1.3 孤島檢測的原理分析

孤島效應是并網逆變器可能會出現的現象，它是指電力系統的一部分(包含負載和正在運行的分布式發電設備)脫離了公共電網后單獨對負載供電的狀態[3]。如圖2所示，光伏并網逆變器并聯到公共電網上對負載供電，如果電網由于故障或檢修等原因[4]停電，但并網逆變電源未能及時檢測出電網停電狀態，從而變成獨立的光伏發電系統以自身的輸出電壓和頻率向負載供電，此時的光伏發電系統運行于孤島狀態。

圖2 孤島效應示意圖

2 并網逆變器的控制策略分析

2.1 并網逆變器的控制方式

電壓型并網逆變器的控制量有兩個：輸入電壓和輸出電流。輸入電壓即直流母線電壓，由于光伏發電系統的功率反映在輸出電流上，不同的功率對應不同的輸出電流，因此，本系統必須穩定輸入電壓；同時輸出電流也必須達到并網的相關標準才能進網，所以對于輸出電流的控制也是非常關鍵的。

基于以上分析，本文采用電壓電流雙閉環控制方法，控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓電流雙閉環控制框圖

2.2 電流環設計

電流內環是決定系統性能的關鍵部分，對其要求是必須具有很快的響應速度，并且能夠很好地跟蹤電網電壓信號，因此，電流環采用典型I型系統設計[5]。

電流環采用比列積分調節，即：

為了讓PI控制器的零點能抵消電流控制對象傳遞函數的極點，有：

逆變器可看成一個一階慣性環節，即：

因此，電流環控制下的開環傳遞函數為：

典型二階系統的閉環傳遞函數可寫為：

根據控制理論知識可知，欲使二階系統獲得理想的動態品質，應該滿足如下條件：

對比式(9)和式(13)，可得：

解得：

式(16)、式(17)即為電流內環PI調節器控制參數的計算公式。

2.3 電壓環設計

電壓環的主要作用是穩壓，故系統整定時，應著重考慮系統的抗擾性能，可按典型II型系統設計電壓環[5]。電壓環的系統控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓環控制框圖

電壓環采用比列積分調節，即：由式(9)可得電流內環閉環傳遞函數為：

由式(22)和式(23)可得：

由此解得：

式(25)和式(26)為電壓環PI調節器的理論設計參數，實際設計中可根據系統進行修改。

2.4 孤島檢測算法分析

文獻[7]針對孤島效應和檢測盲區的分析，提出了各種檢測方法。文獻[8]主要利用常規主動式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)解決孤島效應問題，對于不同特性的負載，常規AFD算法的不足將會體現出來。

公共檢測點PCC處的電流頻率能否在孤島出現后有較大的偏移是決定孤島檢測成功的關鍵[9]，上周期的電壓頻率()決定了本周期的電流給定頻率(+)，有：

基于以上分析，傳統的AFD檢測都是針對單向的頻率擾動，而對于不同的系統，其負載特性無法預知，逆變器的電流與電壓的相位角由負載決定，采用常規AFD產生的相位差等于孤島發生時負載的相位差時，常規AFD進入檢測的盲區，需要一種更加適應負載的改進型AFD檢測方法。

如圖5所示，本文的改進型AFD孤島檢測方法是指對并網逆變器輸出的電流頻率施加正反兩個方向的頻率擾動，以消除負載對單一頻率擾動方向的平衡作用。

3 系統仿真分析

為了驗證理論的正確性，通過Matlab軟件下的Simulink仿真環境搭建了整個并網逆變器的仿真模型。如圖6所示，該系統包括單個組件參數為表1所示、連接方式為4×4的光伏陣列模塊(PV model)，Boost模塊，帶孤島檢測功能的并網逆變器模塊。

圖5 改進型AFD原理

圖6 光伏并網逆變器仿真模型

由于本文主要討論并網逆變器的控制，對于最大功率點跟蹤將不再討論，光伏陣列經過Boost后的輸出電壓為350～450 V。表1為光伏組件參數。

表1 光伏組件參數

3.1 并網仿真分析

仿真參數：標準狀況下，線路等效電阻 0.01 Ω，電網220 V/50 Hz，仿真時間0.4 s。電流環PI參數計算值分別為和電壓環PI參數計算值分別為和直流母線電壓和逆變器輸出電流如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 (a)直流母線電壓和(b)并網電流與電網電壓

電壓外環和電流內環的PI參數是在理論基礎上的理想值，由圖7(a)可以看出，直流母線電壓的調節時間比較長，0.3 s左右達到穩定。并網電流在初始時刻出現很大的波動，這是由于控制算法有一定的時間滯后，輸出電流在一個電流周期跟上電網電壓，達到同步的目的。這種情況下的電流總諧波畸變率為3.79%，功率因數也遠遠低于規定值。

為了改善直流母線電壓的快速性以及并網電流的快速性和穩定性，降低雙環積分系統，改雙環PI控制參數為：電流環=32.2，=50；電壓環'=24.4，'=20 000。仿真結果如圖8 (a)和圖8(b)所示。

圖8 (a)直流母線電壓和(b)并網電流與電網電壓

從圖8(a)可以看出，改變參數以后，直流母線電壓在0.15 s左右很快達到穩定，上下震蕩幅度在10 V以內；并網電流也較之穩定，不到一個電流周期達到同步。總電流諧波畸變率(THD)降至2.83%，符合國標的規定，功率因數也都在0.99以上，完全滿足要求。

3.2 孤島檢測仿真分析

由于阻性負載對于常規AFD算法不存在檢測盲區，本文直接討論特定的RLC負載對于常規AFD檢測算法情況。

對于特定的RLC并聯負載，常規AFD檢測下的輸出電流頻率如圖9所示。

圖9 常規AFD下RLC負載輸出電流頻率

系統在0.06 s模擬孤島發生，由于RLC的特性與常規AFD施加的擾動方向相互抵消，在規定時間內一直檢測不出孤島。

針對上述的RLC負載采用改進型AFD檢測，其它參數不變，輸出電流頻率如圖10所示。從圖10可以看出，系統在0.12 s左右迅速檢測出孤島，達到預期的理想效果。

圖10 改進型AFD下RLC負載輸出電流頻率

4 結論

本文以戶用型光伏并網逆變器為主要控制對象，從穩定直流母線電壓和單位因數并網為出發點，采用電壓電流的雙閉環控制方式，詳細分析了電壓環和電流環的PI參數。通過Simulink仿真環境構建了并網逆變器的仿真模型，完成了一款低諧波、高功率因數的并網逆變器設計。在此基礎上提出了一種改進型的AFD孤島檢測算法用于孤島檢測，仿真結果表明：改進型的算法對于任意的負載都能在規定時間(2 s)內順利地檢測出來。

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[4]MANGO F D,LISERRE M,AQUILA A D,et al.Overview of anti-islanding algorithms for PV systems.Part II:Active methods [C]//Proceedings of 12thInternational Power Electronics and Motion Control Conference,2006.Portoroz:IEEE,2006,1884-1889.

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[9]劉芙蓉.并網型戶用光伏系統的孤島檢測技術研究[D].武漢：華中科技大學，2008：4-16.

Research and design on household PV grid-connected inverter

Full bridge inverter structure for household grid-connected PV inverter was adopted,and the analysis of grid-connected control strategy and island detects method were mainly mentioned.In order to maintain the DC bus voltage and keep unity power factor running,a double loop control strategy was chosen for the grid inverter.An improved active frequency drifting method was put forward to detect island.Matlab/Simulink's results show that the grid inverter designed in the paper is OK with low THD and high power factor.

household;grid-connected inverter;double-closed loop;islanding detection;improved AFD

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2175-04

2015-03-11

何軍(1987—)，男，江蘇省人，助理工程師，主要研究方向為自動化控制技術。